铜互连结构的气相刻蚀方法技术

本发明专利技术涉及半导体生产和加工领域。本发明专利技术揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，且铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将刻蚀腔和扩散腔抽至真空，刻蚀腔和扩散腔相互独立；向刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向扩散腔中通入刻蚀气体；连通扩散腔和刻蚀腔以使刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。采用本发明专利技术提供的方法，能够对厚度达到原子层量级的阻挡层进行准确地去除，且有效的避免了“侧壁侵蚀”现象的产生。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体生产和加工领域，更具体的说，涉及一种铜互连结构的气相刻蚀方法。
技术介绍
铜互连结构通常设置在晶圆或者硅片上，随着集成电路加工尺寸的减小，互连线的尺寸也在相应下降。目前，14nm技术节点的制程，互连线的宽度已经达到30nm。随着10nm及以下技术节点的来临，互连线也将达到10nm并持续减小，而阻挡层的厚度也将变得更薄，接近1-2nm的厚度。阻挡层如此之薄，甚至已经接近原子层量级(即仅为单原子直径的量级)，在这种情况下，要将原子层去除，本领域惯用的一些技术手段已难以发挥效力。传统的CMP(化学机械研磨)工艺对阻挡层损伤很大，因而不能适用；而普通的气相刻蚀工艺，由于刻蚀过程始终连续而又难以精确控制，容易造成过度刻蚀。过度刻蚀所导致的直接后果是会使铜互连结构出现“侧壁侵蚀”现象，图1-图2揭示了侧壁侵蚀现象的形成过程。现有的气相刻蚀工艺，是在一个真空刻蚀腔内，直接引入刻蚀气体对图1中的铜互连结构进行刻蚀。该种铜互连结构自下而上通常包括基底101、隔离层102、第一介质层103、第二介质层104、硬掩膜层105以及阻挡层106，部分阻挡层106覆盖于硬掩膜层105之上，而在金属层107的侧壁区域108位置处，也被阻挡层106所包裹。经过研磨处理之后，侧壁区域108一般会高出金属层107，从而在金属层107上方留出一定的空隙。而刻蚀气体分子109进入刻蚀腔后，由于刻蚀腔内处于真空，刻蚀气体分子109会迅速占据金属层107上方的空隙以及阻挡层106上方的空间，与暴露在外的位于侧壁区域108以及硬掩膜层105上方位置处的阻挡层106发生反应。这种现有的气相刻蚀工艺通常是连续进行的，即会通过管道持续地向刻蚀腔内通入刻蚀气体，采用稳恒模式连续地、不间断地对该铜互连结构进行刻蚀，并最终通过一定的终点检测手段判断出刻蚀工艺的终点后停止通入刻蚀气体，结束刻蚀工艺。采用这种现有的技术，在阻挡层106较厚的情况下尚且能够通过控制反应时间来掌控刻蚀的进度，但是随着技术的进步，当阻挡层106下降至原子层量级时，这种方法将不再奏效，达不到精确控制目的。另外，稳恒模式下的连续刻蚀也很难将刻蚀气体的用量恰好控制在反应的终点，如图2所示的，当铜互连结构的硬掩膜层105被完全去除后，如果刻蚀气体仍有剩余，这些残留的刻蚀气体将集中与侧壁区域108处的阻挡层106发生反应，造成“侧壁侵蚀”，导致最终获得的刻蚀结果中，侧壁区域108处的阻挡层106高度低于金属层107，形成侵蚀间隙110，使芯片失效。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该方法不仅能够解决“侧壁侵蚀”的问题，同时也实现了对厚度在原子层量级的阻挡层的刻蚀。为了达到上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案：本专利技术揭示了一种铜互连结构的气相刻蚀方法，该铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，且铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将刻蚀腔和扩散腔抽至真空，刻蚀腔和扩散腔相互独立；向刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向扩散腔中通入刻蚀气体；连通扩散腔和刻蚀腔以使刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。在一个实施例中，阻挡层的厚度为0.5～10nm。在一个实施例中，掩膜层的厚度为0～5nm。在一个实施例中，刻蚀气体为稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体。可选地，刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的其中一种；可选地，刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的至少两种的组合。在一个实施例中，非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。优选地，非刻蚀气体为氮气。在一个实施例中，非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的至少两种的组合。在一个实施例中，扩散腔的体积和温度保持恒定。在一个实施例中，构成掩膜层的材料包括氮化钛或氮化钨。在一个实施例中，构成阻挡层的材料包括钽、氮化钽、钛、氮化钛、钌、钨、氮化钨、铪或钴。在一个实施例中，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，首先采用稳恒模式连续地对铜互连结构进行刻蚀。在一个实施例中，刻蚀腔和/或扩散腔内的温度控制在20～500摄氏度，每次向刻蚀腔内通入的刻蚀气体的物质的量为0.1～10毫摩尔。在一个实施例中，刻蚀腔和/或扩散腔被抽至真空状态时，刻蚀腔和/或扩散腔内的气压在10毫托以下；而刻蚀腔内通入非刻蚀气体后，刻蚀腔内的气压在4～50托之间。在一个实施例中，在扩散腔内设置一压缩装置或推进装置，以形成外力推动刻蚀气体分子进入刻蚀腔内。在一个实施例中，在扩散腔内设置气体流量计以控制刻蚀气体的量或者通过传感器测量扩散腔内的气压，进而换算出通入的刻蚀气体的量。综上所述，本专利技术提供的铜互联结构的气相刻蚀方法，在刻蚀腔内首先通入了非刻蚀气体，通过碰撞效应避免了过度刻蚀的发生，同时采用脉冲模式对半导体结构进行刻蚀，达到了精确度在原子层量级的刻蚀要求。附图说明图1揭示了采用现有技术中的气相刻蚀方法对铜互连结构进行刻蚀时的示意图；图2揭示了采用现有技术中的气相刻蚀方法对铜互连结构进行刻蚀后所形成的“侧壁侵蚀”现象的示意图；图3揭示了本专利技术第一具体实施方式和第二具体实施方式中所使用的刻蚀腔和扩散腔的结构示意图；图4揭示了本专利技术第一具体实施方式的流程图；图5揭示了本专利技术第一具体实施方式和第二具体实施方式中向刻蚀腔内通入非刻蚀气体后的示意图；图6揭示了本专利技术第一具体实施方式和第二具体实施方式中将刻蚀腔和扩散腔连通后的示意图；图7揭示了本专利技术第一具体实施方式和第二具体实施方式中刻蚀工艺到达终点后的示意图；图8揭示了本专利技术第二具体实施方式的流程图；图9揭示了本专利技术第三具体实施方式中所使用的刻蚀腔和扩散腔的结构示意图；图10揭示了本专利技术第三具体实施方式的流程图；图11揭示了本专利技术第三具体实施方式中首先采用稳恒模式通入刻蚀气体进行连续刻蚀的示意图；图12揭示了本专利技术第三具体实施方式中向刻蚀腔内通入非刻蚀气体后的示意图；图13揭示了本专利技术第三具体实施方式中将刻蚀腔和扩散腔连通后的示意图；图14揭示了本专利技术第三具体实施方式中刻蚀工艺到达终点后的示意图。具体实施方式下面将介绍本专利技术的具体实施方式，并结合附图以辅助理解：图3-图7涉及本专利技术的第一具体实施方式。其中图3展示的是本专利技术第一具体实施方式中所使用的刻蚀腔301和扩散腔302的结构示意图。与现有技术不同的，本专利技术的第一具体实施方式共采用了两个腔室来完成刻蚀工艺，它们分别是刻蚀腔301和扩散腔302。刻蚀腔301和扩散腔302均为密闭腔室，二者虽然通过一根管道连接，但在管道的中央设置有一个开关阀305，因此，在开关阀305打开之前，两个腔之间是相互独立的。晶圆303作为本专利技术中铜互连结构的载体被放置于刻蚀腔301中，而相应的，刻蚀反应也将在刻蚀腔301中进行。在实施刻蚀工艺时，需要对刻蚀腔301和扩散腔302进行抽真空处理，所以二者均连接有抽气装置，分别为第一真空泵306和第二真空泵307。另外，刻蚀腔301内设置有气体喷头308，以向腔内通入非刻蚀气体；扩散腔302内设置有进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜互连结构的气相刻蚀方法，所述铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，其特征在于，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，所述铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将所述刻蚀腔和扩散腔抽至真空，所述刻蚀腔和扩散腔相互独立；向所述刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向所述扩散腔内通入刻蚀气体；连通所述扩散腔和所述刻蚀腔以使所述刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与所述铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。

【技术特征摘要】
1.一种铜互连结构的气相刻蚀方法，所述铜互连结构包括阻挡层和/或掩膜层，其特征在于，提供刻蚀腔和扩散腔，采用脉冲模式非连续地对铜互连结构进行刻蚀，所述铜互连结构置于刻蚀腔中，该方法包括步骤：将所述刻蚀腔和扩散腔抽至真空，所述刻蚀腔和扩散腔相互独立；向所述刻蚀腔内通入非刻蚀气体；向所述扩散腔内通入刻蚀气体；连通所述扩散腔和所述刻蚀腔以使所述刻蚀气体由扩散腔流入刻蚀腔，与所述铜互连结构反应；待刻蚀气体完全被耗尽后重复上述步骤，至达到刻蚀工艺的终点。2.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为0.5～10nm。3.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述掩膜层的厚度为0～5nm。4.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为稀有气体元素与卤族元素所形成的化合物的气体。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的其中一种。6.根据权利要求1-4中的任一项所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为二氟化氙、四氟化氙、六氟化氙或二氟化氪中的至少两种的组合。7.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。8.根据权利要求1所述的铜互连结构的气相刻蚀方法，其特征在于，所述非刻蚀气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的至少两种的组合。9.根据权利要求1所述的铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾照伟，王坚，王晖，
申请(专利权)人：盛美半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31